金属有机框架材料（MOFs）在气体吸附和分离方面具有非常优异的性能，因而引起广泛的关注。尤其这类材料可以通过分子裁剪，实现材料的比表面积、孔尺度、功能性等方面的调控，目前已经成为材料研究领域的热点。
美国新泽西州立罗格斯大学的李静教授团队多年来一直从事多孔MOFs材料的开发及性能研究工作。近年来，该团队在开发MOFs材料用于气体吸附和分离以及荧光传感、发光材料等方面取得了一系列优异的成果。目前该团队的工作致力于发展高效的MOFs材料用于核废料中放射性污染物的捕获。基于此，该团队提出利用多孔MOFs的开放金属中心，修饰三级胺的有机分子来建构放射性有机碘的“分子陷阱“（molecular trap）来实现高效、可循环的捕获剂。基于该设计策略，该团队开发出一系列具有优异性能的放射性有机碘捕获材料，该类材料相比于目前使用的银基吸附剂的吸附容量高3.4倍，同时也解决了目前使用的银吸附剂不可循环等难题。相关工作发表在Nature Communications 上，第一作者是该团队的李柏延博士。
目前使用的放射性有机碘捕获材料主要是银包含的分子筛、三氧化二铝、二氧化硅以及活性炭包埋的三乙烯二胺等。其中银掺杂的吸附剂需要昂贵的金属银，同时这类材料很难有效的循环利用，而活性炭类吸附剂只能在低于120 ℃和不含NOx的条件下使用。但典型的有机碘的捕获温度通常高于150 ℃，目的是为了加速捕获速度以及减少混合气中的水汽。因此，发展能够在高温下使用的高效、可循环的放射性有机碘捕获材料是非常必要的。针对这样的科研难题，李静教授团队提出通过MOFs材料开放金属中心修饰三级胺有机分子子，从而构建高效、可循环的放射性有机碘吸附材料（见图1）。一方面，利用开放金属中心嫁接三级胺分子，提高了三级胺分子与骨架的作用力，使得材料能够在高温下运行；另一方面，有机胺分子通过配位键与开放金属相连，有利于材料在捕获放射性有机碘分子后，能够实现骨架材料的可循环。
图1. 放射性有机碘捕获材料的设计策略图。
通过对一系列材料的表征和分析，他们确定了其结构组成、比表面积等材料信息，确定其设计的功能基团被成功的修饰到MOF基底上。此外，通过对有机碘捕获性能的研究，发现该类材料的单组分有机碘的吸附容量是目前所有已报到的材料中最高的，其吸附能力是目前常用的Ag@MOR的4.4倍（图2a，图2b）。同时，也对材料在潮气条件下的性能进行了研究，发现在含有潮气的条件下，该材料相比于分子筛类材料，潮气对该类材料的吸附性能影响较小（图2c），这说明该类材料在真正应用的条件下更具优势。另外，模拟混合气条件下的突破性实验表明，该类材料能够有效的捕获放射性有机碘，达到核废料的去除标准（图2d），同时其在模拟混合气条件下的实验也表明其设计的材料性能优于目前报道的其它基准材料（图2f）。循环实验表明，该材料能够循环6次，并保持其性能基本不变（图2e）。
图2. （a）不同材料的单组分气体的吸附曲线；（b）不同材料的单组分气体最大吸附容量；（c）潮气条件和干燥条件下的不同材料的吸附能力对比数据；（d）模拟混合气条件下MIL-101-Cr-TED对CH3I的DF因子；（e）材料MIL-101-Cr-TED吸附循环测试；（f）相同条件下，不同材料在模拟混合气下的吸附性能对比。
他们最终也对材料吸附放射性有机碘的吸附机理进行了深入的研究，通过理论与实验相结合的手段，发现其材料中保留的三级胺中的氮原子是有机碘的吸附位点，其主要通过形成季铵盐的方式永久的捕获放射性有机碘分子。
总结
李静教授团队提出利用MOF材料替代银基吸附材料作为放射性有机碘的吸附材料，大大的提高了有机碘的吸附容量，其吸附能力是目前所使用材料Ag@MOR吸附容量的4.4倍。同时，解决了目前银基吸附剂不可循环的难题。基于目前大量的MOF候选材料以及多样性的三级胺分子，该策略的提出将会大大的促进该类材料在放射性有机碘捕获方面的应用，该文作者认为该类材料有望成为目前银基捕获材料的替代品。
该论文作者为：Baiyan Li, Xinglong Dong, Hao Wang, Dingxuan Ma, Kui Tan, Stephanie Jensen, Benjamin J. Deibert, Joseph Butler, Jeremy Cure, Zhan Shi, Timo Thonhauser, Yves J. Chabal, Yu Han & Jing Li
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Capture of organic iodides from nuclear waste by metal-organic framework-based molecular traps
Nat. Commun., 2017, 8, 485. DOI: 10.1038/s41467-017-00526-3
李静教授简介
李静教授现任美国新泽西州立罗格斯大学化学与化学生物学系资深终身教授，1984-1989年在康奈尔大学师从霍夫曼教授（1981年诺贝尔化学家得主）获得博士学位，1989-1991年在康奈尔大学的Francis J. DiSalvo教授（美国国家科学院院士）指导下进行博士后研究工作；1991年开始在罗格斯大学化学系任教至今；1995年获得美国总统教授奖，2008年受聘教育部“长江学者”讲座教授，2012年获得美国能源部颁发的首届清洁能源创新贡献奖，并入选2012年美国科学促进协会会员，2013年获得德国洪堡基金会的洪堡研究奖（Humboldt Research Award），2015年入选皇家化学学会会员（FRSC），并于2015、2016连续两年入选汤森路透集团颁布的全球高被引科学家名单；主要研究方向为杂化半导体材料以及新型微孔材料在节能LED、太阳能电池、气体吸附分离和分子探测荧光感应等方面的应用；迄今发表学术论文320余篇，并拥有12项专利。
李静
http://www.x-mol.com/university/faculty/39480
课题组链接
http://chem.rutgers.edu/jing-li-lab-home
李柏延博士简介
李柏延博士毕业于吉林大学化学化工学院，随后在美国南佛罗里达大学，美国罗格斯新泽西州立大学进行博士后研究，目前在沙特国王科技大学韩宇教授课题组工作。他的主要工作致力于MOFs和POPs材料在吸附、分离、催化等方面的研究，他在李静教授课题组的研究课题是将MOFs材料用于放射性核废料的捕获。他在MOFs和POPs材料方面的研究成果先后发表在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci. 等杂志上。
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